CC BY
469
УДК 628.178.74: 620.194.8
Узяков Р.Н., Кушнаренко В.М., Репях В.С., Чирков Ю.А.
Оренбургский государственный университет E-mail: vmkushnarenko.@mail.ru
ВЛИЯНИЕ ТВЕРДОСТИ НА СЕРОВОДОРОДНОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ СТАЛЕЙ
В статье рассмотрены случаи сероводородного растрескивания стальных деталей и изделий. Показано, что наряду с химическим составом сталей наиболее комплексным механическим критерием характеризующим пригодность сталей к эксплуатации в сероводородсодержа-щих средах является твердость.
Ключевые слова: труба, коррозия, твердость, трещина, растрескивание.
Отечественный и мировой опыт эксплуатации нефтегазовых месторождений позволил определить стали стойкие к сероводородной коррозии. Успешное применение этих сталей на сероводородсодержащих месторождениях в последнее время снизило внимание производителей оборудования к остальным параметрам сталей кроме химического состава. Считается, что если сталь по своему химическому составу соответствует требованиям, предъявляемым к сталям стойким к сероводородной коррозии, то из нее можно изготавливать оборудование с использованием различных технологий.
Однако, как неоднократно отмечалось в работах [1]—[3], химический состав не является в данном случае единственным критерием.
Анализ проводимых нами исследований отказов стальных труб показывает, что в значительной степени эти отказы обусловлены нарушением технологии производства и использованием технологий которые значительно влияют на стойкость сталей к сероводородному растрескиванию.
Рассмотрим несколько примеров и определим, какие критерии наиболее существенно повлияли на отказы.
Рисунок 1. Трещины бесшовной трубы из стали типа Х18Н10Т
Стали типа Х18Н10Т в обычном аустенит-ном состоянии имеют твердость 169-179 НВ и являются стойкими против сероводородного растрескивания.
На рисунке 1 представлен фрагмент бесшовной трубы из стали типа Х18Н10Т с твердостью металла более 29 HRC. Труба эксплуатировалась в условиях сложного напряженного состояния (растяжение с кручением) при воздействии сероводородсодержащих нефтегазовых сред и имеет множество поверхностных трещин, ориентированных под углом примерно 45° и продольную сквозную трещину. Трещины сероводородного растрескивания, распространяются как в окружном, так и в осевом направлении трубы (рисунки 2, 3).
Рисунок 2. Трещины сероводородного растрескивания в металле трубы, распространяющиеся в окружном направлении
Твердость более 29 HRC трубы из стали типа Х18Н10Т свидетельствует о высоком уровне пластической деформации. При этом естественно изменяется и коррозионная стойкость стали.
Твердость более 29 HRC трубы из стали типа Х18Н10Т свидетельствует о высоком уровне пластической деформации. При этом естественно изменяется и коррозионная стойкость стали.
Результаты исследований с целью оценки сопротивления металла образцов из данной стали сероводородному растрескиванию показали, что они выдержали базовое время (720 часов) при постоянной нагрузке 0,8 от предела текучести.
Согласно стандарту [4] стали, выдержавшие базовое время коррозионных испытаний без разрушения, считаются пригодными для эксплуатации в сероводородсодержащих средах. Стойкость образцов из стали типа Х18Н10Т сероводородному растрескиванию при столь
в)
Рисунок 3. Трещины сероводородного растрескивания, распространяющиеся в осевом направлении от поверхности стенки трубы
высоком уровне твердости, объясняется следующим. При изготовлении образцов из трубной заготовки снимаются технологические остаточные напряжения, которые в процессе деформационных циклов упрочнения трубы из стали типа Х18Н10Т до твердости более 29 HRC достигают величины предела текучести данной стали. В процессе эксплуатации таких труб технологические остаточные напряжения суммируются с рабочими напряжениями, и при воздействии сероводородсодержащих сред, возникает растрескивание.
Расположение поверхностных трещин на бесшовной трубе из стали типа Х18Н10Т с твердостью металла более 29 HRC под углом примерно 45° к оси корпуса соответствует линиям Людерса-Чернова и свидетельствует о значительных взаимных сдвигах кристаллов при высоком уровне пластической деформации с образованием текстуры (рисунок 4).
Таким образом, основной причиной сероводородного растрескивания бесшовной трубы из стали типа Х18Н10Т с твердостью более 29 HRC явилось превышение допустимого уровня твердости металла в результате применённой технологии изготовления.
Особую группу среди коррозионностойких представляют аустенитно-мартенситные стали. Эти стали, наряду с хорошей стойкостью к коррозии обладают высокими механическими свойствами и хорошо свариваются. Для повышения механических свойств, стали закаливают, после чего структура стали представляет -неустойчивый аустенит и небольшое количество мартенсита (рисунок 5). В этом состоянии аустенитно-мартенситные стали, обладают достаточно высокой пластичностью и могут обрабатываться резанием и даже подвергаться пластической деформации.
Рисунок 4. Текстура стали направленная вдоль оси тубы
После чего сталь обрабатывают холодом в интервале температур от -50 до -75 оС для перевода большей части аустенита (порядка 80%) в мартенсит и подвергают отпуску. Механические свойства данных сталей зависят от количества мартенсита, которое можно регулировать термообработкой. При содержании мартенсита более 40% пластичность сталей заметно падает, но одновременно возрастает прочность.
Разрушение трубных деталей, изготовленных из стали 08Х15Н5Д2Т, произошло после двух лет эксплуатации при воздействии газа содержащего 17% объемных сероводорода. Общий вид разрушившихся деталей свидетельствует о том, что трещины зародились по концентратору напряжений (рисунок 6).
По результатам исследования металла деталей твердость составила 41,2 НИС при
Х100
Х500
Рисунок 5. Аустенитно-мартенситная структура стали 08Х15Н5Д2Т
Рисунок 6. Общий вид разрушения детали из стали 08Х15Н5Д2Т
Рисунок 7. Хрупкое разрушение отвода 89х10 мм
высоком уровне прочностных и пластических свойств.
Анализ результатов исследования показал, что причиной разрушения явилось наводоро-живание металла и его недопустимо высокая твердость, полученная в результате термообработки холодом.
Наблюдались случаи хрупких разрушений гнутых отводов, изготовленных из стали 20 (рисунок 7). Твердость металла разрушенных отводов составляла 177-198 НВ.
Отводы изготавливали посредством дорно-вания из бесшовных горячедеформированных труб по ГОСТ 8731-74 с твердостью не более 156 НВ. Согласно технологии изготовления гнутых трубчатых деталей из стали 20 дорно-вание проводится при температуре 650 оС с последующей термообработкой (высокий отпуск 650 оС, 60 минут), при этом твердость деталей не должна превышать 167 НВ.
Отводы разрушались с образованием как сквозных, так и несквозных трещин, развивающихся со стороны внутреннего радиуса загиба.
Результаты механических испытаний свидетельствуют о не соответствии механических характеристик металла отвода паспортным данным и требованиям. Предел текучести повышен, на диаграммах испытаний отсутствует характерная для стали 20 площадка текучести, относительное удлинение в 1,5 раза меньше, а значение ударной вязкости KCU-20° в 2,8 раза меньше требуемой, что, наряду с хрупким характером разрушения металла отводов свидетельствует о недопустимо низкой пластичности металла отвода.
Хрупкое разрушение отводов из стали 20 объясняется нарушением технологии их изготовления, приводящее к потере пластичности, увеличению твердости металла отводов и к возникновению в металле отвода технологических остаточных напряжений (рисунок 8), достигающих предела текучести стали.
Сталь 20 является основным металлом, при обустройстве сероводородсодержащих нефтегазовых месторождений. Учитывая случаи разрушения деталей трубопроводов, изготовленных из стали 20 и имеющих повышенную твердость, проведены коррозионно-механические испытания труб 0168х14 мм из стали 20 после различных вариантов термообработки.
Трубы 0168х14 мм №1, 2, 4 прошли термическую обработку по режиму нагрев до 620 оС,
Таблица 1. Результаты натурных испытаний труб 0168x14 мм.
№ dhcx, Íhcx, Dcp в плоскости Величина max Длина Толщина min в месте Р ,
п/п ММ ММ max раскрытия, мм раскрытия, мм трещины мм раскрытия, мм % %
1 169,0 14,1 192 36,4 403 8,4 6,75 40,43
2 168,4 14,4 191,1 38,2 335 7,7 6,26 46,53
3 168,5 14,3 183 42,4 460 12,1 0,59 15,38
4 168,1 14,2 196,3 39 338 8,1 9,39 42,96
5 168,7 14,0 182,2 41,5 458 11,3 0,17 19,29
6 168,2 14,1 180,8 38,5 466 11,9 0,20 15,60
выдержка 30 мин, охлаждение 600 оС/час и имели твердость 134-148 НВ, а трубы №3, 5, 6 (рисунок 9) прошли термическую обработку по режиму нагрев до 920 оС, выдержка 30 мин, охлаждение в воде и имели твердость 193-220 НВ.
Коррозионно-механические испытания труб проводили нагружением их давлением 16 МПа сероводородсодержащей среды NACE в течение 720 часов. Все испытуемые трубы выдержали базовое время испытаний (720 часов), поэтому последующим повышением давления их доводили до разрушения (рисунок 9).
Результаты испытаний свидетельствуют о существенном влиянии твердости стали на сопротивление сероводородному растрескиванию: остаточные пластические свойства металла труб с твердостью 134-148 НВ в окружном направлении eD более, чем на порядок превосходят eD металла труб с твердостью 193-220 НВ, а величина утяжки в очаге разрушения et в 2,58 раза выше (таблица 1).
Анализ результатов исследований позволил установить необходимость ограничения твердости труб и деталей трубопроводов из стали 20 до 170 НВ для предотвращения их сероводородного растрескивания.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что наряду с химическим составом сталей наиболее комплексным механическим критерием характеризующим пригодность сталей к эксп-
5.08.2014
Список литературы:
1. Кушнаренко, В.М. Дефекты и повреждения деталей и конструкций / В.М. Кушнаренко, В.С. Репях, Е.В. Кушнаренко, Е.Ю. Чирков. - Оренбург: ОГУ, 2012. - 531 с.
2. Узяков, Р.Н. Разрушение клапанов из аустенитно-мартенситной стали в результате наводороживания / Р.Н. Узяков, ВВ. Настека, М.Р. Узяков // Прочность и разрушение материалов и конструкций. Материалы 4-й маждународной конференции. Приложение №1, 2005 г. к журналу Российской Академии Естествознания «Современные наукоемкие технологии». Москва: 2005 - C. 45-47.
3. Кушнаренко, В.М. Анализ причин отказов оборудования и трубопроводов / В.М. Кушнаренко, В.С. Репях, Е.В. Кушнаренко, Е.Ю. Чирков // Вестник Оренбургского государственного университета, 2010. - №10. - С. 153-159.
4. NACE MR0175-2002. Standard Material Requirements. Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Materials for Oilfield Equipment.
Рисунок 8. Технологические остаточные напряжения в отводах
Рисунок 9. Трубы 0168х14 мм из стали 20 после коррозионно-механических испытаний
луатации в сероводородсодержащих средах является общая и локальная (в местах наибольших деформаций) твердость. Пренебрежение этим критерием, как правило, приводит к сероводородному растрескиванию оборудования и к экологическим последствиям.
Сведения об авторах:
Узяков Рафаэль Наильевич, доцент кафедры деталей машин и прикладной механики транспортного факультета Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук, доцент, е-шаИ: uzraf@mail.ru
Кушнаренко Владимир Михайлович, заведующий кафедрой деталей машин и прикладной механики транспортного факультета Оренбургского государственного университета, доктор технических наук,
профессор, е-шаП: vmkushnarenko@mail.ru
Репях Виталий Сергеевич, доцент кафедры детали машин и прикладная механика транспортного факультета Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук, доцент, е-mail: podval2004@mail.ru
Чирков Юрий Александрович, профессор кафедры деталей машин и прикладной механики транспортного факультета Оренбургского государственного университета, доктор технических наук, доцент, е-mail: chircov_ura@mail.ru
460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел. (3532) 372561
